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Acta Phys. -Chim. Sin.  2018, Vol. 34 Issue (2): 140-167    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201707174
Special Issue: Special Issue for Highly Cited Researchers
REVIEW     
Application of Multifunctional Nanomaterials in Tumor Radiosensitization
Linji GONG1,3,Jiani XIE1,3,Shuang ZHU1,Zhanjun GU1,3,*(),Yuliang ZHAO1,2,3,*()
1 CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
2 CAS Center for Excellence in Nanoscience, National Center for Nanoscience and Technology of China, Beijing 100190, P. R. China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
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Abstract  

Radiation therapy kills tumor cells via focused high energy radiation, and has become one of the most common and effective clinical treatments for malignant tumors. However, some limitations restrict its clinical efficacy, including a requirement for elevated doses of radiation, side effects due to exposure of healthy tissue, and especially radioresistance of tumor cells. With the development of nanomedicine, multifunctional nanoradiosensitizers offer a new route to improve the efficiency of radiation therapy. In this paper, we summarize the main types of nanoradiosensitizers and their applications in radiation therapy, especially those that have currently entered clinical trials. We also summarize the main approaches to nanomaterials-based radiosensitization, and discuss the factors influencing their application. Finally, the challenges and prospects of multifunctional nanoradiosensitizers are presented.



Key wordsRadiation therapy      Nanoradiosensitizer      Radiosensitization mechanism      Nanomedicine     
Received: 29 May 2017      Published: 17 July 2017
MSC2000:  O644  
Fund:  National Basic Research Programs of China(2016YFA0201600);National Basic Research Programs of China(2016YFA0202104);National Basic Research Programs of China(2015CB932104);National Natural Science Foundation of China(31571015);National Natural Science Foundation of China(11621505);National Natural Science Foundation of China(11435002);National Natural Science Foundation of China(21320102003);Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences(2013007)
Corresponding Authors: Zhanjun GU,Yuliang ZHAO     E-mail: zjgu@ihep.ac.cn;zhaoyl@nanoctr.cn
Cite this article:

Linji GONG,Jiani XIE,Shuang ZHU,Zhanjun GU,Yuliang ZHAO. Application of Multifunctional Nanomaterials in Tumor Radiosensitization. Acta Phys. -Chim. Sin., 2018, 34(2): 140-167.

URL:

http://www.whxb.pku.edu.cn/10.3866/PKU.WHXB201707174     OR     http://www.whxb.pku.edu.cn/Y2018/V34/I2/140

Fig 1 Direct and indirect actions of radiation with DNA12.
Fig 2 Interaction of X-rays with high-Z metal nanoparticles.
ElementZX-ray mass attenuation coefficient
at 100keV (cm2?g-1)
I531.94
Ba562.2
Gd643.11
Dy663.36
Yb703.88
Lu714.03
Hf724.15
Ta734.3
W744.44
Pt784.99
Au795.16
Bi835.74
Table 1 X ray mass attenuation coefficients for some heavy elements.
Fig 3 Bovine serum albumin (BSA) coated gadolinium polytungstate nanoclusters (GdW10O36)for tumor radiation therapy132. (a) The synthesis process of GdW10@BSA; (b) The hydrodynamic diameter of the as-made GdW10-BSA nanoclusters; (c) UV-Vis absorption spectrum of GdW10 nanoclusters solution before and after the reduction. Inset: the corresponding digital images of before and after the reduction; (d) cell viability assays on Hela cells incubated with reduced GdW10@BSA/NS solution after 808 nm laser; (e) The relative tumor volume curves of different group mice after different treatments.
Fig 4 Schematic diagram of the interaction between low-energy photons or high-energy photons with semiconductor quantum dots162, 165. (a) Situation for a low-energy photon (ultraviolet, visible light, near infrared radiation) hits a quantum dot; (b) Schematic diagram of photocatalysis with nanoparticles; (c) Situation for a high-energy photon (X-rays and gamma rays) hits a quantum dot; (d) Schematic diagram of radiocatalysis with nanoparticles.
Fig 5 WS2-based radiation/photothermal synergistic therapy112, 121. (a) Synthetic process diagram of WS2 quantum dots; (b) Representative fluorescence images of DNA fragmentation and nuclear condensation induced by WS2 QDs; (c) Corresponding normalized number of γ-H2AX after WS2 quantum dots and/or 808 nm laser lamp and/or X-ray irradiation; (d) Average weight of tumors collected from each group of tumor-bearing mice after PTT and RT; (e) Photos of tumors collected from each group of the BEL-7402 tumor-bearing mice after various treatments; (f) Schematic illustration of the mechanism of WS2-based PTT/RT combined therapy.
Fig 6 RGD and ACPP functionalized Au@Se-R/A nanocomposites for cancer radiochemotherapy38. (a) Schematic illustrating of the Au@Se-R/A nanocomposites; (b) Overproduction of superoxide in A375 cells treated with Au@Se-R/A nanocomposites with and without X-ray; (c) Tumor volume index for different treatment in 21 days; (d) Signaling pathways triggered by Au@Se-R/A NCs and X-ray.
Fig 7 Schematic diagram of photodynamic therapy based on (a) dual excitation energy source89 and (b) single excitation energy source176. (a) The schematic illustration of the synthesis of Hf-TCPP nanoscale metal organic frameworks and the processes of light-triggered singlet oxygen generation by TCPP for photodynamic therapy, as well as X-ray absorbance by Hf for enhanced radiation therapy89; (b) Schematic illustration of the synthetic route to monodisperse Ce-doped LiYF4@SiO2@ZnO structure and the mechanism of ionizing radiation-induced photodynamic therapy. The electron-hole (e?-h+) pair is formed after exposure to ionizing radiation176.
Synergistic typeNanomaterialSurface
modification
Size/nm(nm2)Experiment parameterCell typeRef.
PTT sensitized RTAuPEG, CD4458.14 ± 4 (TEM)Laser: 808 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy, 6 MV X ray
4T1 cells242
AuPB, PEG, PEI138.8 (DLS)Laser: 808 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy, 6 MV X ray
4T1 cells217
AuPEG54 ± 9 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 6 Gy, 6 MV X ray
KB, U14 cells39
Au@PtPEG~30 (TEM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells243
Pt@Fe2O3DHCA4 × 65 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells244
carbonAg, PEG~20 (TEM)Laser: 375 nm, 7 W·cm?2
Dose:1 Gy/min X ray
LNCaP, Du145,
F11-hTERT cells
165
MoS2PANI, PEG5.3 (TEM)Laser: 808 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HUVECs, 4T1
cells
218
WS2LA-PEG~3 (TEM, AFM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HeLa, HepG2 cells112
BiPEG, LyP-13.6 (HRTEM)Laser: 1064 nm, 0.6 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1, L02 cells111
Bi2S3BSA, 99mTc6.1 ± 0.9 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells123
Bi2Se3BSA, 99mTc2.7 ± 0.3 (TEM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
3T3, 4T1 cells126
Bi2Se3FeSe2, PEG,
64Cu
~100 (TEM)Laser: 808 nm, 0.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells128
MnSe@Bi2Se3PEG132× 105 (TEM)Laser: 808 nm, 0.6 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1, HeLa cells125
Cu3BiS3PMAO, PEG8 × 25 (TEM)Laser: 1064 nm; 1 W·cm?2
Dose: 8 Gy X ray
4T1 cells129
Cu3BiS3TPGS~15 (TEM)Laser: 1064 nm; 0.3 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HUVECs, Bel-7402 cells130
CuSPEG, 64Cu11.9 (TEM)Laser: 980 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 7.4 MBq/mouse
Hth83-lucif cells245
CuSPEG, 64Cu11.0 ± 5.1 (TEM)Laser: 808 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 7.4 MBq/mouse
4T1 cells246
CuSPEG, 131I~20 (TEM)Laser: 808 nm, 0.5 W/cm2
Dose:50 μCi/mouse
4T1 cells247
Mn/Hf-IR825PDA, PEG~110 (DLS)Laser: 808 nm, 0.3 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
4T1, 293T, HeLa
cells
221
NaYbF4:Er3+/
Gd3+
CuS, Silica,
PEG
45 (TEM)Laser: 980 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
Hela cells134
Chemotherapy
sensitized RT
AuPEI, Cisplatin50 (SEM)Dose: 10 Gy γ rayGBM cells197
Au@SeRGD, ACPP~120 (TEM)Dose: 4 Gy, 6 MV X rayA375, L02 cells38
SePEG500 (TEM)Dose: 8 Gy X rayHeLa, NIH3T3
cells
185
TaOxPEG, SN-38,
Fe3+, 99mTc4+
101 ± 29 (TEM)Dose: 8 Gy X ray4T1 cells105
Ta2O5PEG/DOX~80 (DLS)Dose: 6 Gy X ray4T1 cells224
ZnOTfR Ab, DOX20 × 50 (TEM)Dose: 2 Gy X raySMMC-7721
cells
177
Fe3O4@ZnOTfR Ab, DOX200 (TEM)Dose: 2 Gy X raySMMC-7721
cells
178
FePtcysteamine3 (TEM)Dose: 2-8 Gy, 6 MV X
ray
HEK293T,
HeLa cells
225
NaYF4:Yb/Er/T
m/Gd
SiO2, mSiO2,
PVP, MMC,
TAT
47 (TEM)Dose: 8 Gy X rayMCF-7, MCF-
7/ADR cells
201
DocetaxelPLGA, TPGS130-150 (SEM)Dose: 2-8 Gy X rayA549, CNE-1
cells
193
Genexol-PM(23.91 ± 0.41) (DLS)Dose: 3 Gy X rayNSCLC, A549
cells
189
PDT sensitized
RT
PDA-
PEG/Cur/Ce6
100 (SEM, DLS)Laser: 660 nm, 5
mW·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
A549 cells207
Hf-TCPPPEG80-150 (TEM)Laser: 661 nm, 5
mW·cm?2Dose: 6 Gy X ray
4T1, HeLa,
NIH3T3 cells
89
GdEuC12Hyp4.6 (DLS)HeLa cells248
SrAl2O4:Eu2+MC540, mSiO273.5 ± 26.9 (TEM)Dose: 0.5 or 5 Gy X rayU87MG cells
H1299 cells
234
235
LaF3:Ce3+PPIX, DMSO,
PLGA
~2 μmDose: 3 Gy X rayPC3 line230
ZnS:Cu, CoTBrRh1234 (TEM)Dose: 2 Gy X rayPC3 line249
SiC/SiOxH2TPACPP~60 (TEM)Dose: 2Gy, 6 MV X rayA549 cells250
Cu-Cy50-100Dose: 5 Gy X rayMCF-7 cells238
LiYF4:Ce3+ZnO, SiO2, PEG33.8 (TEM)Dose: 8 Gy X rayHeLa cells176
Gene therapy
sensitized RT
HSAcmHsp70.1,
miRNA, PEG
~180 (SEM)Dose: 2-10 Gy X rayU87MG, LN229
cells
239
PLGAEGFR ASOs(116 ± 25.2) (SEM)Dose: 4 Gy X raySCCVⅡ cells240
Fe3O4Dextran, E1ADose: 50 Gy, 6 MV X
ray
HeLa cells241
Combination
therapy
W18O49PVPLaser: 980 nm, 1.2 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
4T1 cells113
NaYF4:Yb/Er/T
m@NaGdF4
SiO2, mSiO2,
PVP, Dtxl, HP
93.5 (DLS)Laser: 980 nm, 2.5 W cm?2
Dose: 8 Gy X ray
HeLa cells219
Table 2 The list of representative multifunctional nanomaterials used for combination radiation therapy.
NameFormulationSizeIndicationsClinicalTrials.gov
Identifier & Clinical Trial Phase
Ref.
NBTXR3
(PEP503)
HfO2~50 nmSoft Tissue SarcomaNCT02379845 (Phase Ⅱ/Ⅲ)77, 84, 86, 251, 252
Head and Neck CancerNCT02901483 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Prostate CancerNCT02805894 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Rectum cancerNCT02465593 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Liver CancerNCT02721056 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Oropharynx carcinomaNCT01946867 (Phase Ⅰ)
AGuIXGd(4 ± 1) nmBrain metastasesNCT02820454 (Phase Ⅰ)72, 73, 257
Table 3 Clinical translation of some nanoradiosensitizers.
Fig 8 Main types and sensitization pathways of multifunctional nanoradiosensitizers.
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